動態散發法測定側圍總成關鍵散發參數及散發預測研究

任重磊，童麗萍，王 雷，劉 偉，劉雪峰

(中汽數據有限公司 天津300300)

0 引 言

隨著社會的發展，汽車已經成為現代人類生活的必需品。目前，我國汽車保有量已達 2.7億輛，汽車駕駛人數達到 4億，預計還將以每年約7%的速率快速增長。汽車駕乘人員每日在乘用車內的滯留時間達數小時，汽車已成為人們除室內、工作場所之外的第三活動空間，車內空氣質量的優劣直接影響乘客的身心健康，以苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛、乙醛等揮發性有機物(volatile organic compounds，VOCs)為主要成分的車內空氣污染成為影響人們身體健康的重要問題[1-2]。2013年北京召開的車內空氣質量與發展國際峰會上，將車內空氣污染問題定義為危害人們身體健康的第三大室內環境污染問題；世界衛生組織WHO也將VOCs列為影響現代人體健康的十大威脅之一[3]。如何控制和改善汽車車內空氣品質，為人類營造健康、舒適的綠色車內環境，已成為關系國計民生的大事。

車內材料散發的揮發性有機化合物是造成空氣質量低劣的罪魁禍首[4]，車內環境中的 VOCs源自各個零部件揮發，主要包括儀表板、門板、側圍、地毯、頂棚、座椅和各種車內塑料裝飾件等[5]。車輛在生產時，內飾零部件要使用大量的塑料制品和黏合劑，這些都是車內VOCs的重要散發源。研究材料中VOCs的散發特性對于揭示 VOCs的散發規律進而有效控制和改善車內空氣品質具有重要意義。

研究表明，車內材料污染物的散發特性由3個關鍵參數表征：初始可散發濃度C0，擴散系數Dm和分配系數K[6-7]。材料 VOCs的散發速率和濃度是關鍵參數的函數，測定散發關鍵參數是研究材料VOCs散發規律的基礎。在以往的工作中，關于材料污染物散發特性的研究大致可分為兩類：建立描述VOCs散發過程的數學模型并求解；對VOCs散發關鍵參數的實驗測定。如何快速精確地測定影響 VOCs散發的3個關鍵參數，借助散發模型預測車內零部件 VOCs的散發情況，以便對車內空氣品質進行控制和改善，成為當前的研究熱點。

本文采用直流艙濃度軌跡法同時測定汽車側圍材料VOCs散發關鍵參數C0、Dm和K。通過對VOCs散發實驗的數據結果進行對比分析，驗證了該方法的準確性，并將關鍵散發參數應用到汽車內飾零部件總成上，對內飾零部件的散發特性實現快速預測。

1 方法與實驗

1.1 關鍵散發參數測定原理

本研究采用直流艙濃度軌跡法測定車內材料散發過程的關鍵參數——初始濃度C0、分配系數K和擴散系數Dm，其測定過程及原理為：①將待測車內材料(本報告為側圍材料)置于密閉的環境艙里面散發甲醛/VOCs 直到平衡；②將流量恒定的純凈氮氣引入環境艙內，每隔一段時間采樣 VOCs的濃度。測試過程示意圖如圖1所示，環境艙內污染物濃度變化如圖2所示。

圖1 直流艙濃度軌跡法測定示意圖Fig.1 Schematic diagram of concentration trajectory method in ventilated chamber

圖2 環境艙內污染物濃度變化Fig.2 Change of pollutant concentration in environmental chamber

基于物理分析和數學推導，可以得到以下公式：

式中：R(V/Vm)為環境艙體積與材料體積之比；α＝QL2/VDm；β＝AL/V；Bim＝hmL/Dm；Q為通風量，m3/s；L為材料的厚度，m；V為環境艙體積，m3；A為材料有效散發表面積，m2；hm為材料表面對流傳質系數，m/s；t*(t-t0)，表示直流艙中的散發時間；Bim為傳質畢渥數；q1、G1分別為式(3)和(4)的第 1項，是與Dm和K有關的參數。

根據實驗測得不同時刻的直流艙內 VOCs濃度數據，利用(3)式對無量綱濃度對數和時間進行線性擬合，即可獲得斜率SL和截距INT，利用斜率SL和截距INT可以求得擴散系數Dm和分配系數K。然后將計算出的K值代入(1)式即可求得初始可散發濃度C0值。

1.2 側圍材料關鍵散發參數測定實驗

1.2.1 測試條件

實驗溫度：25℃。

側圍厚度：2.4～2.62mm，取均值2.51mm。材料散發面積：4005.5cm2。

1.2.2 測試步驟

①將待測側圍材料進行切割并密封存放。

②將切割好的側圍材料放入環境艙中，在 25℃下密閉放置36h，保證材料中各VOCs濃度達到散發平衡并采樣，此時刻即為起始時刻(0h)，見圖3。

圖3 側圍材料的切割、密封存放和平衡處理Fig.3 Cutting，sealing storage and balancing of side panel materials

③以500mL/min的體積流量向環境艙中通入潔凈氮氣，采集不同時刻下苯系物和醛系物的散發質量濃度，采樣時間為起始后 1、2、3、5、7、9、24、25h，見表 1和圖 4、5。

表1 側圍材料中不同采樣時時VOC濃度Tab.1 VOC concentration of side panel materials at different sampling time

表2 側圍材料中各VOCs的關鍵散發參數Tab.2 Key emission parameters of VOCs in side panel materials

圖4 側圍動態散發法環境艙中苯系物質量濃度的變化Fig.4 Change of concentration of benzene series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

圖5 側圍動態散發法環境艙中醛系物質量濃度的變化Fig.5 Change of concentration of aldehyde series with time in environmental chamber by dynamic emission method about side panel

1.2.3 擬合Ca-t數據計算關鍵散發參數

根據關鍵散發參數測定原理，將不同時刻下的各VOCs的Ca轉化為ln(Ca/Cequ)，擬合ln(Ca/Cequ)與時間t，得到各 VOCs濃度隨時間散發的斜率SL和截距INT，如表 2所示。由于斜率SL和截距INT分別是Dm和K的函數，可以由此計算出Dm和K。C0是平衡濃度Cequ和K的函數，在已知平衡濃度Cequ和K的情況下，可以求出C0，整個運算均在專門編寫的計算程序中進行。

圖6為側圍材料中甲醛隨散發時間的變化曲線，可以看出模擬值與實測值擬合效果較好，說明該曲線能夠較好地展示VOCs在側圍材料中的散發趨勢，據此計算出的關鍵散發參數可用于預測袋式法測試實驗中側圍材料的VOCs散發濃度(25℃)。

圖6 動態散發實驗側圍材料中甲醛濃度隨散發時間的變化曲線Fig.6 Variation curve of formaldehyde concentration with time in side panel materials in dynamic emission experiment

2 散發預測

將通過動態散發法測得的側圍材料中各 VOCs關鍵散發參數Dm、K和C0(表 2)代入密閉環境VOCs散發預測模型中，可以預測出袋式法側圍總成各 VOCs濃度隨時間的變化。密閉環境 VOCs散發預測模型已編成計算程序，實際使用時，只需將各關鍵散發參數代入程序即可。

根據吉利提供的側圍總成數據，得出半車份側圍總成的總散發面積為 1.3848m2，側圍材料的厚度為0.0024～0.00262m，計算過程中取厚度均值為0.00251m。經計算得出，袋式法實驗中側圍總成各VOCs濃度隨時間的變化如圖7所示。表3為袋式法實驗中側圍總成各VOCs濃度在2、24h下散發的預測值。

表3 袋式法實驗側圍總成在2、24 h下的各VOCs散發濃度預測值(μg/m3)Tab.3 Predicted values of VOCs emission concentration in side panel assembly in bag method experiment under 2 h and 24 h(μg/m3)

圖7 袋式法實驗中側圍總成各VOCs濃度隨時間的變化預測曲線Fig.7 Prediction curve of variation of VOCs concentration with time in side panel assembly in bag method experiment

3 結 論

本研究建立了直流艙濃度軌跡法測定側圍材料中苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯、甲醛、乙醛散發過程的關鍵參數C0、K、Dm。通過對比側圍材料中甲醛散發的擬值與實測值，表明擬合效果較好，測定得到的關鍵散發參數能夠較好地展示側圍材料中VOCs的散發趨勢。同時，利用本研究方法得到的側圍材料各VOCs關鍵散發參數，可以預測袋式法側圍總成所含各 VOCs濃度隨時間的變化。通過預測可以幫助汽車企業在新車研發階段實現整車 VOCs散發特性的正向設計，提高檢測效率，節省檢測成本。